[发明专利]用于形成石英玻璃光学部件的系统和方法

说明书

技术领域

本发明涉及用于产生石英玻璃光学部件、尤其是用于波导或光纤应用的石英玻璃光学部件，同时减少波导畸变且确保石英玻璃在其热工艺过程中均匀的温度和粘度分布的系统和方法。这类热工艺包括但不限于预制件或光纤拉制、拉伸、压缩、坍塌或包覆。

背景

石英玻璃光学部件的实例包括，例如，实心或空心圆柱体、光纤预制件或光纤。这类光学部件通常使用插入在石英玻璃包覆圆柱体的孔内的石英玻璃芯棒的同轴装置来形成。从同轴装置的下端开始，将其供应到垂直取向的拉制炉的加热区，在拉制炉中对同轴装置进行逐区加热且将其拉长成实心或空心圆柱体、光纤预制件或光纤。或者，起始主体可以是光纤预制件，随后将其拉制成多个尺寸较小的预制件或光纤。

这类拉制方法通常需要将玻璃柄部附接到同轴装置或预制件的上端，以便引导所述装置或预制件通过拉制炉。在常规拉制工艺中已经结合玻璃柄部采取各种措施来减少成本。例如，玻璃柄部通常呈外径小于要拉制的石英玻璃主体(即，同轴装置或光纤预制件)的外径的实心或空心圆柱体形式。此外，用来形成玻璃柄部的玻璃类型的质量可以次于要拉制的石英玻璃主体的质量。即，用来制成玻璃柄部的玻璃通常不用来形成最终波导或光纤产品的部分，并且因此可以由更廉价的材料制成，与同轴装置或光纤预制件的玻璃相比，这种材料含有更多的杂质和/或污染物且具有不同的热性质。

然而，这类节省成本的措施有缺点。具体地说，当玻璃柄部被焊接到同轴装置或光纤预制件且随后拉制已焊接的装置时，所述装置/预制件的柄部端处的玻璃不能被拉制成可接受的光纤。具体地说，从柄部附近的玻璃拉制成的光纤通常具有较差的波导性质，诸如在拉制成的光纤中的不正确的或畸变的包层-芯比率(这可以导致不可接受的截止波长)、修改的直径、零色散波长、由芯与包层玻璃之间的径向偏差引起的增大的芯偏心率、不均匀的外径或几何形状等。

常规拉制系统和方法还常常遇到的控制问题在于，必须确定到底什么时候终止拉制以避免拉制出畸变的或“坏”的末端玻璃。所谓的“末端效应”发生在玻璃柄部附近的同轴装置/光纤预制件的特定长度内。由于玻璃部件与拉制炉之间的辐射热交换或传递的所需效率，这个长度通常与拉制炉的加热区的长度(例如，通常是10cm至20cm)相当且通常小于所拉制玻璃部件的直径。因此，在已拉制同轴装置/光纤预制件的全部玻璃之前，通常一旦达到这个长度就终止拉制。在同轴装置/光纤预制件的附接到柄部的那一端处的未拉制玻璃必须被丢弃，并且浪费的玻璃的量通常随着所拉制玻璃部件的直径增大而增大。

因此，提供改善的方法将是有益的，这些改善的方法允许在形成光学部件时拉制整个石英玻璃同轴装置或光学预制件，以便避免浪费有价值的石英玻璃。

概述

本发明是基于我们对上述末端效应的根本原因的发现，这种原因现在为止还是未知的。具体地说，我们已经发现，这些末端效应是在同轴装置/光纤预制件的后端(即，附接到柄部的那一端)处的玻璃在拉制工艺期间发生畸变的结果。我们还已经发现，这些畸变发生在末端玻璃中主要是因为，由于玻璃主体内的径向不均匀的温度和粘度分布，包含光纤芯的玻璃的被加热内部和中心部分轴向向下流动(例如，由于重力或外部施加的拉拔力或夹持力)的速率与被加热的外部包层玻璃不同。更具体地说，我们已经发现，当同轴装置/光纤预制件的柄部端接近拉制炉的加热区时，外部包层玻璃被加热到高于内部芯玻璃的温度，且因此相对更热的外部包层玻璃比内部芯玻璃更快地轴向向下流动。因此，外部包层玻璃比内部芯玻璃下垂或垂落更多，从而使柄部端处的玻璃包层-芯比率发生畸变且损害由此拉制成的光学部件的波导性质。另外，在柄部端附近的玻璃的这种差动轴向流动常常是方位不对称的(例如，由于玻璃主体在拉制炉内经历的方位不对称的温度分布)，这随后可以导致光纤芯偏心率的明显增大。

我们还已经发现，发生芯玻璃和包层玻璃的差动轴向流动主要是因为，柄部和同轴装置/光纤预制件的被附接后端通常具有不同的外径，从而导致柄部端处的径向几何不连续性。这种径向不连续性随后导致在玻璃柄部与同轴装置/光纤预制件的界面附近生成辐射热负荷且导致在所述界面附近的芯玻璃和包层玻璃的径向不均匀的温度和粘度分布。

我们还已经发现，其他因素，诸如玻璃柄部和同轴装置/光纤预制件的几何形状和热性质上的差异，可以导致末端玻璃的径向不均匀的温度和粘度分布。不均匀的温度分布导致芯玻璃和包层玻璃以不同的速率向下流动，从而使针对有用的波导或光纤应用的芯玻璃和包层玻璃的必需的相对比例(常常被称为包层-芯比率)发生畸变且对其造成损害。